JP3297717B2 - 半導体装置の電極形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、突起電極を具備し
た半導体装置の電極形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の高密度実装に対する
要望はますます強まっており、要望に応える必要上、フ
ェイスダウンボンディング法を採用したうえで配線基板
上に実装される半導体装置、例えば、フリップチップや
テープキャリヤチップなどの半導体装置が数多く使用さ
れるようになっている。そして、このような半導体装置
は、図４で要部のみを簡略化して示すように、半導体素
子１１の能動面を覆って形成された低融点ガラスやＳｉ
窒化膜などからなる保護絶縁膜１２の開口部から素子電
極であるＡｌ電極１３を露出させておき、密着用金属及
び拡散バリヤ用金属としてのＴｉＷ／Ａｕなどからなる
バリヤメタル１４を保護絶縁膜１２の開口部内外にかけ
て形成したうえ、このバリヤメタル１４上にＡｕやＣ
ｕ，Ｎｉなどからなる半球状のバンプといわれる突起電
極１５を電解メッキ法などによって形成した構造を有す
るのが一般的である。

【０００３】すなわち、この種の半導体装置を作製する
に際しては、以下のような製造方法が採用されている。
まず、図５（ａ）で示すように、拡散工程を終了して半
導体素子１１が作り込まれたシリコンウェハ１６を用意
したうえ、保護絶縁膜１２の開口部から露出した素子電
極であるＡｌ電極１３の表面上に形成された自然酸化膜
１７をエッチングによって除去する。そして、図５
（ｂ）で示すように、蒸着法を採用したうえ、２層構造
となったバリヤメタル１４を全面にわたって形成する。
なお、バリヤメタル１４としては、ＴｉＷ／Ａｕの他に
Ｔｉ／ＰｄやＣｒ／Ａｕなどが一般的であり、各々の膜
厚は０．２〜０．５μｍ程度とされている。

【０００４】引き続き、図５（ｃ）で示すように、Ａｌ
電極１３と対応する開口部が設けられたうえでメッキ用
マスクとなるフォトレジスト層１８をバリヤメタル１４
上に形成し、かつ、Ａｕなどを含有した電解メッキ液中
にバリヤメタル１４が一方の電極とされたシリコンウェ
ハ１６を浸漬したうえでの電解メッキを実行する。する
と、電解メッキ液中のＡｕなどがフォトレジスト層１８
の開口部内に析出してくるため、Ａｕなどからなる突起
電極１５が形成される。なお、この際におけるフォトレ
ジスト層１８はポジ型もしくはネガ型のいずれであって
もよく、厚さは１〜２０μｍ程度とされている。

【０００５】さらに、フォトレジスト層１８を除去し、
かつ、図５（ｄ）で示すように、突起電極１５を被覆す
るフォトレジスト層１９を改めて形成した後、不要なバ
リヤメタル１４をエッチングによって除去したうえでフ
ォトレジスト層１９を除去すると、図４で示したような
半導体装置が完成したことになる。なお、バリヤメタル
１４がＰｄやＡｕである場合のエッチング液としては王
水系、Ｔｉである場合にはエチレンジアミン四酢酸系、
また、ＴｉＷである場合には過酸化水素系のエッチング
液が用いられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記従来の
電極形成方法を採用して半導体装置を作製する際には、
つぎのような不都合が生じることになっていた。すなわ
ち、このような電極形成方法を採用したのでは、フォト
リソグラフィや蒸着，エッチングなどの処理を繰り返し
て多数回実行しなければならず、これらの処理ごとに高
額な設備を使用する必要があり、かつ、半導体素子１１
が具備する突起電極１５の形成に長時間を要するため、
半導体装置の完成までに費やされるコストの増大を招い
てしまう。

【０００７】また、前記従来の電極形成方法において
は、電解メッキを採用したうえで突起電極１５を形成す
ることを行っているため、ＡｕやＣｕ，Ｎｉなどのよう
な単一金属からなる突起電極１５を形成するのは極めて
容易である反面、実用上有利な低融点金属、例えば、共
晶金属であるところのＰｂ・Ｓｎ半田やＩｎ・Ａｕ半田
からなる突起電極を形成するのは大変に困難となってい
た。すなわち、半導体素子の突起電極は、他の電子部品
などと同時の一括的なリフロー半田付けによって配線基
板に実装しうる材料からなるものであることが望ましい
にも拘わらず、従来の電極形成方法によっては低融点金
属からなる突起電極を形成することが難しいのが実情で
あった。

【０００８】本発明は、これらの不都合に鑑みて創案さ
れたものであり、製造コストの低減を図ることが可能で
あるとともに、低融点金属からなる突起電極を極めて容
易に形成できる半導体装置の電極形成方法を提供するも
のである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体装置
の電極形成方法は、半導体素子の素子電極上に形成され
た自然酸化膜を除去する工程と、自然酸化膜が除去され
た素子電極の表面を第１の金属でもって置換する工程
と、第２の金属からなる微粉末が分散されて第３の金属
を含有した無電解メッキ液中に半導体素子を浸漬し、第
２の金属が分散された第３の金属からなる金属析出層を
第１の金属に置き代えて素子電極上に形成する工程と、
少なくとも第２の金属または第３の金属いずれか一方の
融点以上の熱を金属析出層に加えて突起電極とする工程
とを含んでいる。そして、この方法を採用した際には、
従来の方法を採用した場合よりも半導体装置の製造コス
トを低減することが可能になり、かつ、第２及び第３の
金属が共晶化した低融点金属からなる突起電極を極めて
容易に形成できることになる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に係る半導体装
置の電極形成方法は、半導体素子の素子電極上に形成さ
れた自然酸化膜を除去する工程と、自然酸化膜が除去さ
れた素子電極の表面を第１の金属でもって置換する工程
と、第２の金属からなる微粉末が分散されて第３の金属
を含有した無電解メッキ液中に半導体素子を浸漬し、第
２の金属が分散された第３の金属からなる金属析出層を
第１の金属に置き代えて素子電極上に形成する工程と、
少なくとも第２の金属または第３の金属いずれか一方の
融点以上の熱を金属析出層に加えて突起電極とする工程
とを含んでいる。

【００１１】そして、本発明の請求項２に係る半導体装
置の電極形成方法は、請求項１における第１の金属が亜
鉛（Ｚｎ）またはパラジウム（Ｐｄ）であり、第２の金
属が鉛（Ｐｂ）であるとともに、第３の金属が錫（Ｓ
ｎ）であることを特徴としている。また、本発明の請求
項３に係る半導体装置の電極形成方法は、請求項１にお
ける第１の金属がＺｎまたはＰｄであり、第２の金属が
インジウム（Ｉｎ）であるとともに、第３の金属が金
（Ａｕ）であることを特徴としている。

【００１２】以下、本発明の実施の形態を図面に基づい
て説明する。

【００１３】（実施の形態１）図１は本実施の形態に係
る電極形成方法を採用して作製された半導体装置の要部
を簡略化して示す側断面図、図２は半導体装置の電極形
成方法を手順に従って示す工程断面図であり、図３は半
導体装置の電極形成途中状態を示す説明図である。な
お、この際における半導体装置の基本的な構造は従来と
異ならないので、図１ないし図３において図４及び図５
と互いに同一となる部品、部分には同一符号を付してい
る。

【００１４】本実施の形態に係る半導体装置は、図１で
簡略化して示すように、半導体素子１の能動面を被覆し
て形成された低融点ガラスやＳｉ窒化膜などからなる保
護絶縁膜１２に対して素子電極であるＡｌ電極１３の表
面を露出させる開口部が形成されており、かつ、この開
口部からはＡｌ電極１３と直接的に導通した低融点金
属、つまり、Ｐｂ・Ｓｎ半田のような共晶金属からなる
突起電極２が形成された構造を有するものとなってい
る。すなわち、従来の半導体装置では、密着用金属及び
拡散バリヤ用金属からなる２層構造のバリヤメタル１４
を介装したうえでＡｌ電極１３及び突起電極１５が導通
しあった構造を採用していたのに対し、本実施の形態に
係る半導体装置は、バリヤメタル１４が介装されておら
ずにＡｌ電極１３と突起電極２とが互いに接触しあって
導通しているところに特徴がある。

【００１５】つぎに、実施の形態１に係る半導体装置の
電極形成方法を図２に基づいて説明する。なお、この際
においては、半導体素子１が形成されたウェハ状態のま
まで処理しながら突起電極２を形成することが行われて
いる。

【００１６】まず、図２（ａ）で示すように、拡散工程
を終了して半導体素子１が作り込まれたシリコンウェハ
１６を用意し、かつ、保護絶縁膜１２の開口部から露出
した素子電極であるＡｌ電極１３の表面上に形成された
自然酸化膜１７をエッチングによって除去することが従
来同様の手順に従って行われる。その後、Ａｌ電極１３
上に再び自然酸化膜１７が形成されないよう、また、次
工程における無電解メッキを安定的に実行しうるよう、
図２（ｂ）で示すように、自然酸化膜１７が除去された
Ａｌ電極１３の表面を第１の金属であるＺｎ３でもって
置換することを行う。すなわち、この際においては、ジ
ンケート処理でもってＺｎ３をＡｌ電極１３の表面上に
対して選択的に置換することが行われる。なお、ここで
は、ジンケート処理を採用したうえでのＺｎ３による置
換を実行しているが、このような置換に限定されること
はなく、アクチベート処理を採用したうえでのＰｄによ
る置換を実行してもよい。

【００１７】引き続き、図３で示すように、第２の金属
であるＰｂからなる微粉末４が分散されており、かつ、
第３の金属であるＳｎを含有してなる酸性浴タイプの無
電解メッキ液５が貯溜されたガラス製の貯溜槽６を用意
したうえ、半導体素子１が作り込まれたシリコンウェハ
１６を無電解メッキ液５中に浸漬することを行う。な
お、この際におけるＰｂの微粉末４は、１〜５μｍ程度
の直径を有する大きさとされている。そして、無電解メ
ッキ液５中にシリコンウェハ１６を浸漬すると、無電解
メッキの初期反応によってＺｎ３が無電解メッキ液５中
へと溶出した後、Ｓｎが析出反応を始めることとなる結
果、図２（ｃ）で示すように、Ａｌ電極１３の表面には
Ｐｂの微粉末４を含有したＳｎからなる金属析出層７が
Ｚｎ３に置き代わって析出してくることになり、この金
属析出層７は保護絶縁膜１２の開口部から所定の高さ、
例えば、５〜１５μｍ程度に達するまで成長する。

【００１８】さらに、無電解メッキ液５中からシリコン
ウェハ１６を取り出したうえで十分に洗浄することを行
った後、Ｐｂの微粉末４を含有したＳｎからなる金属析
出層７の融点以上の熱、例えば、約２００℃の熱を加え
ることによってシリコンウェハ１６を熱処理すると、Ｐ
ｂの微粉末４を含有したＳｎからなる金属析出層７は共
晶化することになり、低融点の共晶金属であるＰｂ・Ｓ
ｎ半田からなる突起電極２を具備した図１の半導体装置
が完成する。なお、この際においては、Ｐｂ及びＳｎ両
者の融点以上の熱を加えているが、ＰｂまたはＳｎのい
ずれか一方のみの融点以上の熱を加えれば金属析出層７
の共晶化が行われることになり、このような手順を採用
した場合にもＰｂ・Ｓｎ半田からなる突起電極２が得ら
れることは勿論である。

【００１９】ところで、以上の説明においては、半導体
素子１が形成されたウェハ状態のままで処理しながら突
起電極２を形成することを行っているが、ウェハ状態の
ままで処理する必然性があるわけではなく、例えば、予
め分割されてチップ化された半導体装置のうちから良品
のみを選別しておいたうえ、チップ化された良品の半導
体装置ごとに対して突起電極２を形成することも可能で
あり、このようにした場合には無駄な電極形成を実行し
なくて済むという利点が得られる。

【００２０】（実施の形態２）ところで、実施の形態１
では、Ｐｂ・Ｓｎ半田からなる突起電極２を形成してい
るが、より低融点のＩｎ・Ａｕ半田からなる突起電極２
を形成することも可能であり、この際には以下のような
電極形成方法が採用される。なお、実施の形態２に係る
半導体装置の構造及び電極形成手順は実施の形態１と基
本的に同じであり、Ｐｂであった第２の金属がＩｎとさ
れ、かつ、Ｓｎであった第３の金属がＡｕとされている
点しか相違しないので、この実施の形態２でも図１ない
し図３に基づいた説明を行うこととする。

【００２１】本実施の形態に係る半導体装置は、図１で
示すように、半導体素子１の能動面を被覆して形成され
た保護絶縁膜１２に素子電極であるＡｌ電極１３の表面
を露出させる開口部が形成されており、かつ、この開口
部からはＡｌ電極１３と直接的に導通した低融点の共晶
金属であるＩｎ・Ａｕ半田からなる突起電極２が形成さ
れた構造を有している。すなわち、この実施の形態２に
係る半導体装置では、Ａｌ電極１３と突起電極２とが直
接的に接触しあったうえで導通する構造が採用されてい
る。

【００２２】以下、図２に基づき、実施の形態２に係る
半導体装置の電極形成方法を説明する。まず、図２
（ａ）で示すように、保護絶縁膜１２の開口部から露出
したＡｌ電極１３の表面上に形成されていた自然酸化膜
１７をエッチングによって除去した後、図２（ｂ）で示
すように、自然酸化膜１７が除去されたＡｌ電極１３の
表面を第１の金属であるＺｎ３でもって置換する。な
お、Ｚｎ３に代わるＰｄを用いたうえでの置換を行って
もよいことは勿論である。

【００２３】つぎに、図３で示すように、第２の金属で
あるＩｎからなる微粉末４が分散され、かつ、第３の金
属であるＡｕを含有してなる中性浴タイプの無電解メッ
キ液５が貯溜されたガラス製の貯溜槽６を用意したう
え、シリコンウェハ１６を無電解メッキ液５中に浸漬す
る。なお、Ｉｎの微粉末４は、１〜５μｍ程度の直径を
有する大きさとされている。引き続き、無電解メッキ液
５中にシリコンウェハ１６を浸漬すると、無電解メッキ
の初期反応によってＺｎ３が無電解メッキ液５中へと溶
出した後にＡｕが析出反応を開始する結果、図２（ｃ）
で示すように、Ａｌ電極１３の表面にはＩｎの微粉末４
を含有したＡｕからなる金属析出層７が析出してくるこ
とになり、この金属析出層７は保護絶縁膜１２の開口部
から所定の高さ、例えば、５〜１５μｍ程度に達するま
で成長する。

【００２４】さらに、無電解メッキ液５中からシリコン
ウェハ１６を取り出したうえで十分に洗浄した後、Ｉｎ
の融点以上の熱、例えば、約１８０℃の熱を加えること
によってシリコンウェハ１６を熱処理すると、Ｉｎの微
粉末４は溶融してＡｕからなる金属析出層７と共晶化す
ることになり、低融点の共晶金属であるＩｎ・Ａｕ半田
からなる突起電極２を備えた半導体装置が完成したこと
になる。すなわち、実施の形態２に係る電極形成方法を
採用した際には、Ｉｎ及びＡｕが共晶化してなる突起電
極２が、無電解メッキによって極めて容易かつ低コスト
で形成されたことになる。

【００２５】

【発明の効果】本発明に係る半導体素子の電極形成方法
を採用した際には、高額な設備を使用したうえで長時間
を要する各種処理の回数を従来の方法を採用した場合よ
りも削減しうることになり、半導体装置の完成までに費
やされるコストの大幅な低減を実現できるばかりか、低
融点金属からなる突起電極を極めて容易に形成できると
いう効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態に係る電極形成方法を採用して作
製された半導体装置の要部を簡略化して示す側断面図で
ある。

【図２】本実施の形態に係る半導体装置の電極形成方法
を手順に従って示す工程断面図である。

【図３】本実施の形態に係る半導体装置の電極形成途中
状態を示す説明図である。

【図４】従来の技術に係る半導体装置の要部を簡略化し
て示す側断面図である。

【図５】従来の技術に係る半導体装置の電極形成手順を
示す工程断面図である。

【符号の説明】

１ 半導体素子 ２ 突起電極 ３ Ｚｎ（第１の金属） ４ Ｐｂの微粉末（第２の金属からなる微粉末） ５ 無電解メッキ液 ７ 金属析出層

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体素子の素子電極上に形成された自
   然酸化膜を除去する工程と、自然酸化膜が除去された素
   子電極の表面を第１の金属でもって置換する工程と、第
   ２の金属からなる微粉末が分散されて第３の金属を含有
   した無電解メッキ液中に半導体素子を浸漬し、第２の金
   属が分散された第３の金属からなる金属析出層を第１の
   金属に置き代えて素子電極上に形成する工程と、少なく
   とも第２の金属または第３の金属いずれか一方の融点以
   上の熱を金属析出層に加えて突起電極とする工程とを含
   んでいることを特徴とする半導体装置の電極形成方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載した半導体装置の電極形
   成方法であって、 第１の金属が亜鉛またはパラジウムであり、第２の金属
   が鉛であるとともに、第３の金属が錫であることを特徴
   とする半導体装置の電極形成方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載した半導体装置の電極形
   成方法であって、 第１の金属が亜鉛またはパラジウムであり、第２の金属
   がインジウムであるとともに、第３の金属が金であるこ
   とを特徴とする半導体装置の電極形成方法。